一种用于空气综合净化的多功能单原子催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种单原子催化剂，由碳载体和第二过渡金属元素组成，所述碳载体由ZIFs系金属有机框架材料中的第一过渡金属元素挥发和二甲基咪唑碳化后形成；所述第二过渡金属原子与所述碳载体中的N原子相互作用，且以单原子的形式被所述碳载体包覆在内部。本申请还提供了所述单原子催化剂的制备方法与应用。本发明专利技术提供的单原子催化剂作为催化剂在空气综合净化中表现出极大地应用潜力，具备广谱抗菌、清除雾霾、清除甲醛等多重功能。

A multifunctional monoatomic catalyst for air purification and its preparation

The invention provides a single atom catalyst, which is composed of a carbon carrier and a second transition metal element. The carbon carrier is formed after the first transition metal element in the zifs system metal organic frame material volatilizes and the dimethylimidazole is carbonized; the second transition metal atom interacts with the N atom in the carbon carrier, and is wrapped inside the carbon carrier in the form of a single atom \u3002 The application also provides a preparation method and application of the monoatomic catalyst. The monoatomic catalyst provided by the invention shows great application potential in air comprehensive purification as a catalyst, and has multiple functions such as broad-spectrum antibacterial, haze removal, formaldehyde removal, etc.

【技术实现步骤摘要】
一种用于空气综合净化的多功能单原子催化剂及其制备方法
本专利技术涉及净化
，尤其涉及单原子催化剂、其制备方法及其应用。
技术介绍
由于人们对工业高度发达的负面影响预料不够且预防不利，导致全球性的环境污染问题日益严重，危害人类的健康生存与发展，因此，污染问题的治理已经迫在眉睫。目前，环境污染主要分空气污染、土壤污染和水体污染；其中空气污染对人们的影响最为直接，室内外细菌、雾霾颗粒(PM2.5和PM10)、甲醛及其他小分子等各种污染物持续影响人们的身体健康，每天都有人因接触了这些污浊空气而染上呼吸器官、视觉器官、癌症、白血病等疾病，在蓝天白云下自由自在地呼吸的情景离人们越来越遥远。为此，人们积极开发各类净化装置及材料，市场上广泛出售的商品包括空气净化器、3M防霾口罩、活性炭包以及净水机等层出不穷。上述商品的核心滤芯功能单一、结构复杂。其中，实现广谱抗菌的主要技术是强力紫外光、光催化产生活性氧以及纳米银催化剂的单一技术或多重技术。强力紫外光装置较贵且对身体有害；光催化材料需要严重依赖外界光源；纳米银材料价格昂贵且容易氧化失活。对甲醛来说，目前市场上的装置主要依赖于活性炭的高效吸附，不能从根本上有效地将甲醛进一步转化为二氧化碳，其威胁仍然存在。室温条件下快速高效地将甲醛转化为无害的二氧化碳尤为重要。因此，开发新型廉价、高效的材料用于空气综合净化受到广泛关注。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题在于提供一种单原子催化剂，本申请提供的单原子催化剂可用于广谱抗菌、清除雾霾和清除甲醛，且具有较好的应用效果。有鉴于此，本申请提供了一种单原子催化剂，由碳载体和第二过渡金属元素组成，所述碳载体由ZIFs系金属有机框架材料中的第一过渡金属元素挥发和二甲基咪唑碳化后形成；所述第二过渡金属原子与所述碳载体中的N原子相互作用，且以单原子的形式被所述碳载体包覆在内部。优选的，所述第二过渡金属元素选自ⅠB、ⅡB和Ⅷ中的一种或多种；具体的，所述第二过渡金属元素选自Fe、Co、Ni、Cu、Ag、Mn和Zn中的一种或多种。本申请还提供了一种单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：将ZIFs系金属有机框架材料、有机溶剂和第二过渡金属化合物的水溶液混合，烘干后得到固体粉末；将所述固体粉末进行煅烧，得到单原子催化剂。优选的，所述ZIFs系金属有机框架材料中的第一过渡金属原子与所述ZIFs系金属有机框架材料中杂原子的原子比为1：(20～50)；所述ZIFs系金属有机框架材料中的第一过渡金属元素与所述第二过渡金属化合物的第二过渡金属元素的摩尔比为1：(5～20)。优选的，所述煅烧在惰性气氛下进行，所述煅烧的温度为600～1000℃，时间为2～4h。优选的，所述ZIFs系金属有机框架材料的制备方法具体为：将第一过渡金属化合物的甲醇溶液和有机配体的甲醇溶液混合，得到混合溶液；将所述混合溶液采用甲醇离心洗涤，烘干，得到ZIFs系金属有机框架材料。优选的，所述第一过渡金属化合物的甲醇溶液的摩尔浓度为0.01～0.2mol/L，所述有机配体的甲醇溶液的摩尔浓度为0.1～1mol/L；所述第一过渡金属化合物的甲醇溶液和有机配体的甲醇溶液的体积比为1:1～1:10；所述第二过渡金属化合物的水溶液的浓度为10～200mg/ml。本申请还提供了所述的或所述的制备方法所制备的单原子催化剂在抗菌方面的应用。本申请还提供了所述的或所述的制备方法所制备的单原子催化剂在雾霾净化上的应用。本申请还提供了所述的或所述的制备方法所制备的单原子催化剂在甲醛清除上的应用。本申请提供了一种单原子催化剂，其由碳载体和第二过渡金属元素组成，所述碳载体由ZIFs系金属有机框架材料中的第一过渡金属元素挥发和二甲基咪唑碳化后形成；所述第二过渡金属原子与所述碳载体中的N原子相互作用，且以单原子的形式被所述碳载体包覆在内部。本申请提供的单原子催化剂中的第二过渡金属元素以原子的形式均匀的分布在碳载体内部；在广谱抗菌方面，单原子催化剂自身可以活化空气中的氧气产生活性氧，氧化细菌的细菌膜、蛋白质、遗传物质等将细胞杀死，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、枯草杆菌和绿脓杆菌等四种代表性菌种表现出＞99％的去除率；同时，单原子催化剂中的碳载体具有较强的吸附性，可对雾霾颗粒表现出＞99.9％的去除率；进一步的，单原子催化剂中的碳载体具有较强的吸附性，同时第二过渡金属原子可以活化空气中的氧气产生活性氧，在室温下10min内将甲醛氧化为二氧化碳和水，且长时间使用无明显的失活。附图说明图1为本专利技术实施例1～4制备的Fe单原子、Co单原子、Ni单原子以及Mn单原子催化剂的透射和扫描电子显微镜下图像；图2为根据本专利技术实施例1～4制备的Fe单原子、Co单原子、Ni单原子以及Mn单原子催化剂的球差矫正高角度环形暗场扫描透射电子显微镜图像；图3为根据本专利技术实施例1～4制备的单原子催化剂对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、枯草杆菌、绿脓杆菌等四种代表性的菌种反应前后的细菌形貌；图4为根据本专利技术实施例1～4制备的单原子催化剂对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、枯草杆菌、绿脓杆菌等四种代表性的菌种的抗菌性能图；图5为根据本专利技术的实施例1～4制备的单原子催化剂用于雾霾净化的示意图、实物图、装置图及性能图；图6为根据本专利技术的实施例1～4制备的单原子催化剂在甲醛清除转化实验中的测试图。具体实施方式为了进一步理解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本专利技术的特征和优点，而不是对本专利技术权利要求的限制。鉴于净化方面的需求，本申请提供了一种单原子催化剂及其制备方法，该催化剂对应用于空气空气净化方面具有较好的效果；具体的，本申请提供了一种单原子催化剂，由碳载体和第二过渡金属元素组成，所述第二过渡金属原子与所述碳载体中的N原子相互作用，且以单原子的形式被所述碳载体包覆在内部；所述碳载体由ZIFs系列金属有机框架材料中的第一过渡金属元素挥发和二甲基咪唑碳化后形成。上述单原子催化剂，是由前驱体经过煅烧后得到的，所述前驱体由第一过渡金属元素、第二过渡金属元素和有机配体二甲基咪唑组成，其中第一过渡金属元素和有机配体形成ZIFs系金属有机框架材料，在煅烧的过程中，第一过渡金属元素高温挥发，二甲基咪唑有机配体碳化，由此形成非金属N原子掺杂的碳载体；第二过渡金属元素与碳载体中的非金属杂原子N原子相互作用，并被包覆在有机配体碳载体的碳层里面且以单原子的形式存在。本申请单原子催化剂中的ZIFs系金属有机框架材料为本领域技术人员熟知的有机金属框架材料，其中的第一过渡金属元素为Zn或Co，在本申请中，所述第一过渡金属元素为Zn；在本申请中，所述第二过渡金属元素选自ⅠB、ⅡB和Ⅷ中的一种或多种；具体的，所述第二过渡金属元素选自Fe、Co、Ni、Cu、Ag、Mn和Zn中的一种或多种。本申请还提供了所述单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：...

【技术保护点】
1.一种单原子催化剂，由碳载体和第二过渡金属元素组成，所述碳载体由ZIFs系金属有机框架材料中的第一过渡金属元素挥发和二甲基咪唑碳化后形成；所述第二过渡金属原子与所述碳载体中的N原子相互作用，且以单原子的形式被所述碳载体包覆在内部。/n

【技术特征摘要】
1.一种单原子催化剂，由碳载体和第二过渡金属元素组成，所述碳载体由ZIFs系金属有机框架材料中的第一过渡金属元素挥发和二甲基咪唑碳化后形成；所述第二过渡金属原子与所述碳载体中的N原子相互作用，且以单原子的形式被所述碳载体包覆在内部。


2.根据权利要求1所述的单原子催化剂，其特征在于，所述第二过渡金属元素选自ⅠB、ⅡB和Ⅷ中的一种或多种；具体的，所述第二过渡金属元素选自Fe、Co、Ni、Cu、Ag、Mn和Zn中的一种或多种。


3.一种单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：
将ZIFs系金属有机框架材料、有机溶剂和第二过渡金属化合物的水溶液混合，烘干后得到固体粉末；
将所述固体粉末进行煅烧，得到单原子催化剂。


4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述ZIFs系金属有机框架材料中的第一过渡金属原子与所述ZIFs系金属有机框架材料中杂原子的原子比为1：(20～50)；所述ZIFs系金属有机框架材料中的第一过渡金属元素与所述第二过渡金属化合物的第二过渡金属元素的摩尔比为1：(5～20)。


5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述煅烧在惰性气...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴宇恩，赵超，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34